第二章-光源(LED和激光器)

横模
基模
•符号TEMmn表示各种横向模式。m、n分别表示在x轴 和y轴方向上模式序数。基模又称TEM00模，其它的模 式都称为高次模式。 仅有基横模的激光束称为单横模激 光，其平行性好，发散角小。有不同横向模式的激光束 称为多横模激光，其发散角较大，平行性相干性都较差。
七、 激光光源
获得激光输出的3个必要条件为： ① 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能
粒子数分布反转
在激光物质中，外来的光子可以引起受激辐射，也可能被 受激吸收，而产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占 主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处 于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流 子的正常分布倒转过来——粒子数反转
粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大 于阈值电流。
§2 光源
六、 半导体发光二极管光源
半导体发光二极管(LED Light-Emitting Diode)
早在1962年出现，早期只能发出低 光度的红光，时至今日能发出的光已 遍及可见光、红外线及紫外线。而用 途也由初时作为指示灯、显示板等到 已被广泛的应用于显示器、电视机采 光装饰和照明。
LED发光效率超过300lm/W，白炽灯的效率16lm/W， 荧光灯的效率70lm/W。
六、 半导体发光二极管光源
普通单色、高亮度、超高亮度、变色、闪烁、电压控制 型、红外发光二极管等。
双色发光二极管
LED特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实现 各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED， GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使 在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特点， 可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
发光二极管的时间响应较快，短于1μs。发光二极管的响应 时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几 率。
发光二极管的外部发光效 率均随温度上升而下降。
光电检测系统中作为光源 使用的LED常常工作在脉 冲状态下。
六、 半导体发光二极管光源
按形状： 圆形、方形、矩形、三角形、组合型等。 按其封装结构及封装形式：金属封装、陶瓷、 塑料、树脂和无引线表面封装等。
0.90
2.1
六、 半导体发光二极管光源
4.时间响应与温度特性
(a)稳定发光 (b)脉冲调制发光 (c) 模拟调制发光
InGaAsP LED，时间响应2～5 ns，调制带宽50～ 140 MHz。直接调制技术，相位测距仪、能见度仪 及短距离通讯中获得应用。
六、 半导体发光二极管光源
4.时间响应与温度特性
氦氖激光器相干长度可达几公里。
氦氖激光器
1962年，He－Ne气体激光器 在美国贝尔实验室研制成功。
氦氖激光器（Helium-neon gas laser）是研制成 功的第一种气体激光器，也是最常用的一种，通常在 可见光频段（632.8nm）工作，其它还有1.15μm及 3.39μm。功率一般约数毫瓦，连续发光。因为制造方 便、较便宜、可靠，所以使用较多。
由于n区所发射
的光子能量hv比EG2
小得多，它进入p区 不会引起本征吸收 而直接透射出去。
六、 半导体发光二极管光源
2.发光强度—电流特性
开启电压：1～2V 工作电流：5~50mA
六、 半导体发光二极管光源
2.发光强度—电流特性
在正向配置电压的作用下流过发光二极管PN节的正向电
流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光，其发光强度
氦氖激光器
在使用氦氖激光器时，应注意以下几点：
1)要注意激光的模态。在用He-Ne激光器作光电测量的光源 时，一般都选用单模激光。
谐振腔损耗
反射
吸收
散射
衍射
透过
谐振腔 失掉
偏振损失
起偏器泡克尔晶体
增益<损耗 增益=损耗 增益>损耗
增益和损耗
法布里 - 珀罗谐振腔
解
(Fabry-Perot, FP)
理 面
注入电流
解
有源区
理
面
L
R1
增益介质
R2
z=0
z=L
反
反
射
射
产生稳定振荡的条件（相 面
位条件）
L
m
2n
L
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
峰值波长为0.86～0.9μm。对异质结发光二极管，禁带宽度由
元素的组分量决定，如GaAs1-x Px，最佳组分x＝0.4，发光峰
值波长为0.65～0.66 μm。改变组分量x可以改变发光峰值波长。
六、 半导体发光二极管光源
2) 发光效率
发光二极管发射的光通量与输人电功率之比表示发光效率，
单位lm/W。
ex
nex nin
单位时间发射到外部的光子数nex 注入到器件的电子-空穴对数nin
提高外部量子效率的措施：
① 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1.55） 涂敷在发光二极管上；
② 把晶体表面加工成半球形；
③ 用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。
几种典型发光二极管的发光效率与发光波长
Iv
v
I
n f
v
I
n f0
exp(qU
/
kT )
Iv0
exp(qU
/
kT )
光强IV与PN结电压U是指数关系，通过控制PN结两端电压
方式控制发光强度不可取。
六、 半导体发光二极管光源
3.发光光谱和发光效率
1) 光谱
LED发射光谱的峰值波长由材料的禁带宽度决定。
L
h
Eg
单位μm
例如 GaAs红外发光二极管的禁带宽度在室温下为1.4 eV，发光
方法： 固体激光器：光谱适当的强光灯； 气体激光器：气体电离； 半导体激光器：注入载流子。
谐振腔
谐振腔——在激光物质的两侧放置相互平行的反射 面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强 。 光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产 生激光振荡。
通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的 两块反射镜按特定的方式组合而成。 作用： ①提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。 ②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以 保证输出激光具有一定的定向性和单色性。
OLED
OLED，即有机发光二极管 （Organic Light-Emitting Diode），其柔性的特征将使 得可折叠电视、电脑成为可能。 是公认的下一代显示器主流。 还存在使用寿命短、大型化难 等缺陷。
七、 激光光源
激光器分类
❖激光工作介质
固体激光器(光纤激光器）、气体激光器、半导体激 光器、染料激光器
IV为
Iv
v
I
n f
v为发光二极管的发光效率，n>1
发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通 过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。
六、 半导体发光二极管光源
2.发光强度—电流特性
由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为
I=I0exp(qU/nkT)指数形式，并且1＜n＜2较小
态上去，为此需要泵浦源；
② 要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服 损耗；
③ 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增 益，用以维持受激辐射的持续振荡。
七、 激光光源
激光的特点 ➢单色性
稳频的氦氖激光器频率变化范围只有2Hz 。 ➢方向性
氦氖激光器发散角可达到3xl0-4rad。 ➢亮度
普通光源的上百万倍。 ➢相干性
名称
峰值 外部量子效率%
波长 (μm）
数变 值
平均值
可见光发 禁带宽度
光效率 (lm/W)
Eg(eV)
GaAs0.6P0.4 红光
0.65 0.5
0.2
Ga0.65Al0.35As 红光
0.66 0.5
0.2
GaP:EnO 红光 0.79 12
12.3
0.38
1.9
0.27
1.9
2.4
1.77
GaP:N
氦氖激光器、二氧 化碳激光器、钕玻 璃激光器以及YAG 激光器都是四能级 系统激光器。
氦氖激光器
内腔式
氦氖激光器结构示意图
外腔式 半内腔式
氦氖激光器
气体原子激光器 输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以
632.8nm为最常见。 功率在mW级，最大1W 光束质量好，发散角可小于1mrad 单色性好，带宽可小于20Hz 稳定性高
面
m=1 m=2
有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。
通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，
可以只有一个模式激振，称为单纵模激光器。
横模
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向(光传播方向)，平 面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
基模
光在腔内传播相当于不断经过光阑，因此会引起 衍射，使振幅和相位的空间分布发生畸变。当达 到稳定状态时，才从输出镜输出激光。
发光效率由内部量子效率与外部量子效率两个参数决定。内
部量子效率可表示为
Hale Waihona Puke inneo nine0为P结N每秒发出的光子数，ni为每秒注入到LED的电子数。
六、 半导体发光二极管光源
光子通过半导体，一部分被吸收，一部分在到达界面后 因遇到高折射率材料而产生全反射，再被晶体吸收，造成发 射效率降低。